Гревилл родился в Бишоп Окленде, но вскоре семья переехала в Дербишир, потому что его отец возглавил приход небольшой деревни Эдластон и соседней с ней деревушки Вайстон. Ещё в детстве Роберт изучал и зарисовывал растения, но, повзрослев, был определён учиться медицине. Четыре года он провёл, обучаясь в Лондоне и в Эдинбурге. Однако нужды в деньгах он не имел, и это позволило ему оставить медицинскую карьеру и посвятить себя ботанике.Begonia gracilis. Рисунок Р. К. Гревилла. «Curtis"s botanical magazine» , том 57, 1830В 1816 году он женится и переезжает в Эдинбург.
В 1823 году он начинает иллюстрировать и издавать журнал Scottish cryptogamic flora, а также публикует и другие статьи в этой области.
В 1824 году Гревилл удостоен степени доктора в Университете Глазго, где он прочёл курс лекций по натуральной истории и собрал значительные коллекции, впоследствии купленные Эдинбургским университетом.
В 1836 Роберт Кай Гревилл становится президентом Ботанического общества Эдинбурга. Второй раз он был выбран президентом этого общества в 1866 году.
Он также был почётным секретарём Биологического общества, членом Королевского общества Эдинбурга, почётным членом Королевской Ирландской Академии, членом обществ естественной истории в Брюсселе, Париже, Лейпциге и Филадельфии.Ботаник Аллан Каннингем в 1828 году назвал в честь Гревилла горную вершину в Квинсленде. Эта гора сейчас входит в национальный парк "Пики Муджира" (англ.)русск..Гревилл был известен также как общественный деятель: он активно выступал против рабства и за отмену смертной казни, был одним из четырёх вице-президентов на всемирном съезде за отмену рабства, который состоялся в Лондоне 12 июня 1840 года.
В последние годы жизни Гревилл увлёкся пейзажной живописью и даже выставлял свои работы.Роберт Кай Гревилл скончался в своём доме в Мурейфилде 4 июня 1866 году.
Он до самой смерти продолжал сохранять интерес к исследовательской работе; в это время были подготовлены к публикации несколько новых статей.